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光器件行业深度研究:国产替代提供发展机遇,有望迎全面爆发

2022-11-04 10:43 来源:民生证券 作者:马天诣

1 光器件位于光通信产业链上游,细分领域众多

1.1 光器件

光器件指的是应用在光通信领域,利用光电转换效应制成的具备各种功能的光电子器件, 细分领域众多。按照工作时是否发生光电转换分类,可分为光有源器件和光无源器件两大类, 前者需要电源驱动,后者无需电源驱动。而若按照功能分类,可具体分为发送接收器件、波分 复用器件、增益放大器件、开关交换器件和系统管理器件等大类,其下进一步细分为多个小类。整体而言,光器件细分领域繁多,不同类型的光器件实现了光信号的产生、调制、探测、连接、 波长复用和解复用、光路转换、信号放大、光电转换等功能,是光通信的基础保障。

在细分领域众多的同时,光器件产品定制化程度高,呈劳动密集型特点,并且种类繁多, 下游客户更倾向于选择整体解决方案来一站式满足自身需求。光器件产品标准化程度低,主要 根据客户需求进行定制化设计,因而导致产品种类/参数繁多,难以实现完全的自动化生产, 整体而言规模效应并不显著。部分环节(如封装等)对人力要求较高,因而劳动密集型特征相 对显著。相对海外巨头,国内光器件企业在人力成本方面相对具有优势,这在很大程度上加速 了光器件产业整体东移的趋势。从下游客户的角度,由于光器件单价不高且种类型号繁多,因 而倾向于选择头部光器件企业的一揽子整体解决方案来一站式满足自身需求,这种情况下能 够避免不同厂商光器件间兼容性等问题保证性能的稳定性,并且便于客户自身的供应链管理。


光器件行业深度研究:国产替代提供发展机遇,有望迎全面爆发

除此之外,光器件行业近年来呈现出的另一大显著特点是材料变化升级的趋势明显,有 望给部分行业的竞争格局带来根本性的改变。

以光电调制器为例,根据芯片材料不同,当前主流有三大技术方案,即硅基方案、磷 化铟方案和体材料铌酸锂方案。比较来看,体材料铌酸锂方案具有高带宽、低插损、 高可靠性、较高消光比、工艺成熟等优点,是高速器件中佼佼者,能够充分满足传输 距离长(100 公里以上)、容量大(100G 以上)的需求,当前其在 100G/400G 相干 光通讯网络中已有非常广泛的应用。而受材料性质所限,例如,硅基方案主要应用在 短距离,磷化铟方案主要是通过牺牲一定的参数从而在中短距离传输中替代铌酸锂。

虽然相对硅基方案及磷化铟方案有优势,但体材料铌酸锂仍存在关键性能参数提升 遇瓶颈、尺寸较大难集成、价格较高等问题。在这样的背景下,新型薄膜铌酸锂调制 器成为了业内的聚焦点,较之体材料铌酸锂调制器,其不仅充分继承了体材料铌酸锂 的优势,同时还在性能、成本、体积等维度有显著改善。未来,若薄膜铌酸锂启动规 模量产进程,将给细分行业带来显著变革。

同样地,在光模块领域,硅光模块发展迅速。就传统光模块来看,其主要采用 III-V 族 半导体芯片、高速电路硅芯片、光学组件等分立式器件封装而成,本质上属于“电互 联”。但是,随着未来器件加工尺寸的逐渐缩小,电互联将逐渐面临传输瓶颈,硅光 技术应运而生。其本质是“以光代电”,将光学器件与电子元件整合至一个独立的微 芯片中,使用激光束代替电子信号传输数据,较之传统光模块具有高集成、高功率及 低功耗等优势。根据 Yole 的预测,硅光模块的市场规模将从 2018 年的 4.5 亿美元增 长至 2024 年的 41.4 亿美元,2018 年~2024 年间的年复合增速将达 44.5%。

从产业链来看,光器件位于光通信产业链上游。光通信产业链整体可分为“光芯片/电芯 片、光组件、光器件、光模块、光通信设备、最终客户”这样几部分。整体来看,上游光芯片 及电芯片多为国外公司垄断,其中,光芯片近年来中低端产品逐渐国产化,高端光芯片仍被国 外厂商掌握。光组件及光器件领域,相对分散,竞争相对并不激烈。中游光模块领域参与厂商 众多竞争激烈,技术更迭周期短。另一方面,国内光模块厂商实力提升迅速,产业东移大趋势 明显,当前多家国内厂商已跻身全球前十大光模块厂商之列。产业链下游是光通信设备商,最 终客户方面,传统客户包括了 2B 侧电信市场的大型运营商和数通市场的云计算巨头,另一方 面,近年来光器件厂商开始逐渐向 2B 侧的非通信领域(如医疗检测等)和 2C 侧消费级应用 场景(如 AR,激光雷达等)延伸,以寻求更大的发展空间。

1.2 中小企业居多,多领域布局拓展成长空间

光器件行业单个细分领域的市场空间有限,业内公司规模相对不大。从国内厂商的当前市 值来看,除了天孚通信,其他国内光器件厂商市值基本在 100 亿人民币以下。类似地,海外巨 头同样市值有限,行业龙头 II-VI 和 Lumentum 市值分别仅约为 68 亿美元和 66 亿美元。整体 而言,行业空间和行业特性决定了行业内超大型企业较少,中小企业居多。


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从当前光器件厂商的成长路径来看,主要以多领域布局的方式线性拓展成长空间,未来 随着光器件从 B 向 C 拓展,有望迎来高速增长期。光器件厂商一般以某细分领域起步,当公 司发展到一定阶段,受限于市场规模,通常会通过内生或外延并购方式拓展业务布局打开成长 空间,一种途径是横向拓展光器件的业务品类完善产品矩阵,另一种途径是纵向垂直整合,向 上游光芯片或下游光模块延伸。站在当下的时点,我们认为光器件厂商的生命周期仍很长。传 统意义上,光器件厂商的下游集中于 2B 领域的运营商和云计算巨头,未来随着以汽车电子和 消费电子为代表的 C 端需求加速放量,光器件厂商将迎来真正的高速增长期。

2 应用领域从 B 向 C 扩展,行业迎来发展拐点

2.1. 2B 侧传统通信领域:电信和数通市场双轮驱动,夯实基本盘

传统而言,光器件下游最终端的客户是电信市场的运营商和数通市场的云计算巨头,因 而受其资本支出影响。1)电信市场:运营商的通信代际更迭时间较长(例如 5~7 年),资本 开支周期性显著,通常呈规律性波动,初期上升明显,后期逐年回落,进入 5G 时代,运营商 资本支出则相对更为平稳;2)数通市场:当前需求逐渐超越电信市场,数通市场的云计算巨 头技术更新需求更快,通常每 3~4 年即面临一次升级换代的压力,资本支出整体呈震荡上行的 趋势。两相叠加,上游光器件行业成长性显著同时兼具周期性。


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2.2. 2B 侧非通信领域:积极向医疗等领域拓展,构建新增长点

除了 2B 侧的传统通信领域,业内以天孚通信、腾景科技为代表的光器件厂商积极向其他 2B 侧领域拓展,例如医疗领域,寻求新的业绩增长点。从业务协同性的角度,医疗检测等行 业用光器件所运用的底层工艺和技术与光通信行业有较大共通性,在产品设计、参数要求、性 能指标上有所区别,因而技术平台、产线具有一定复用性,能够将现有在光通信领域积累的技 术与能力进行跨领域的复制和延伸。

天孚通信:公司依托现有成熟的光通信行业光器件研发平台,利用团队在基础材料和 元器件、光学设计、集成封装等多个领域的专业积累, 积极向医疗检测领域拓展,为 客户提供配套新产品,主要包括了基础元件类产品和集成封装器件产品。根据公司公 告,对于新领域的产品,公司不同客户所处阶段有所差异,主要处于研发和客户样品 测试阶段。从市场规模来看,根据前瞻产业研究院预测,2021-2026 年中国第三方医 学诊断行业市场规模年均复合增长率在 14-15%左右,到 2026 年市场规模有望突破 560 亿元,整体空间广阔。(报告来源:未来智库)

腾景科技:1)医疗领域:根据公司公告,目前公司的滤光片、偏振分束器、透镜、 模压玻璃非球面透镜等精密光学元件产品,已应用于内窥镜系统、流式细胞仪、DNA 测序仪、拉曼光谱仪等生物医疗器械和设备。我国目前已成为全球生物医疗器械和设 备的重要生产基地,且高技术、高附加值设备的占比将逐渐扩大,公司未来也将进一 步受益于生物医疗器械和设备市场的发展机遇;2)量子科研领域:在当今世界量子 计算科研领域前沿的 18 光量子比特纠缠,以及 20 光子输入 60×60 模式干涉线路的 玻色取样量子计算项目中,均使用了腾景科技的产品,具体包含了半波片、滤光片、 偏振分束器、非偏振分束器等光学元件及 YVO4 等晶体材料。


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2.3. 2C 侧消费级应用:消费电子和汽车等新兴领域提供行业未来 的成长空间

2.3.1 汽车领域

从汽车领域来看,激光雷达中大量用到光学元件及器件,未来随着激光雷达走向成熟迎 来大规模放量,上游光学元件及器件厂商将迎来重要发展机遇。 激光雷达(Lidar,Light Detection and Ranging)顾名思义,即激光探测与测距,通常用 于车辆在快速移动时的距离和速度感知,工作原理与雷达非常相近。

其以激光作为信号源,由 激光器发射出的脉冲激光,打到地面的树木、道路、桥梁和建筑物上,引起散射,一部分光波 会反射到激光雷达的接收器上,通过测量激光信号的时间差和相位差来确定距离,通过水平旋 转扫描来测角度,并根据这两个参数建立二维的极坐标系,再通过获取不同俯仰角度信号获得 三维中的高度信息,由此可以构建精确的三维立体图像。其下游应用领域广泛,包括了 L4 及 以上高等级自动驾驶、ADAS 系统、智慧城市(车路协同)、专业服务机器人及测绘等领域。


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当前在自动驾驶应用领域,激光雷达与摄像头存在技术路线竞争。众所周知,自动驾驶系 统分为感知层、决策层和执行层,其中感知层负责收集环境信息并做预处理。感知功能通过感 知传感器实现,有摄像头、毫米波雷达、激光雷达和超声波雷达四大类,横向比较各具优劣势, 因此通常多种传感器融合使用,实现一定程度上的优势互补。

发展至今,自动驾驶领域环境感 知融合方案主要发展演化为两种,一种是以摄像头为主导,搭配毫米波雷达的融合方案,即“纯 视觉计算方案”,另一种是激光雷达主导,搭配摄像头和毫米波雷达的融合方案。前者虽然具 有较低的成本,但由于摄像头可能存在失真,因此需要进行大量数据积累并进行神经网络训练 弥补。后者具有更高的精确性,但当前成本相对更高。我们认为,未来随着激光雷达逐渐走向 成熟迎来成本下降,激光雷达主导的融合方案其渗透率将会有显著提升。

就激光雷达自身的技术发展趋势来看,从机械式向固态式发展的大趋势明显。根据激光雷 达扫描方式分类,可分为三大类,即机械式、混合固态式(半固态式)和纯固态式。机械式发 展最为成熟,其优势在于扫描速度快,可 360 度全方位检测,但在电机尺寸较大较难集成,且 在性能提升、使用寿命提升、降成本等方面愈发困难。较之机械式方案,混合固态式方案能够 有效降低尺寸,且成本较低,但劣势在于探测角度有限,探测距离短,相对来说,半固态方案 中的 MEMS 方案是最为成熟的半固态方案。

固态式方案当前主要包括 FLASH 和 OPA 两大 类,扫描速度快,体积小的优势明显,虽然当前技术成熟度仍相对不足,但随着未来技术突破, 固态技术路线大概率是激光雷达长期发展的大方向。从下游激光雷达厂商的布局来看,差异化 明显,各有侧重优势不一,部分厂商多技术方案布局。Velodyne、Ouster、速腾聚创、禾赛科 技等厂商重点聚焦机械式激光雷达,Luminar、Aeva、Livox、Innoviz、华为等在半固态激光雷 达均有布局,固态激光雷达的典型厂商有 Ibeo、Ouster、Quanergy 等。

从市场情况来看,汽车领域的激光雷达产品整体仍处于导入期,大部分车型尚未使用 激光雷达,未来随着其走向成熟迎来价格下降,渗透率有望加速提升,市场空间广阔。根 据沙利文研究,2019 年全球激光雷达市场为 6.8 亿美元,预测 2025 年将增至 135.4 亿美元, 2019 年~2025 年年复合增速 64.5%。国内方面,2019 年市场规模为 2.3 亿美元,预测 2025 年 将增至 43.1 亿美元,2019 年~2025 年年复合增速 63.1%。


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2.3.2 消费电子领域

相对于传统的 2B 侧产品,消费电子产品需求量大,变化迭代快,市场空间更大。未来随 着元宇宙逐渐从概念走向现实,作为元宇宙底层硬件支持,AR 领域将迎来快速增长。1)从 整体的市场规模来看,据中国信通院预测,全球 AR 市场规模在 2020-2024 的年复合增速为 54%,2024 年市场规模有望达 2400 亿元人民币;2)从产品出货量情况来看,2020 年 AR 眼镜全球出货量达 40 万台,同比增长 33.3%,预计到 2022 年 AR 的全 球出货量将达 140 万台。


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多巨头布局 AR,行业未来发展整体可期。微软在 AR 领域起步较早,2015 年推出一代 HoloLens,2019 年 HoloLens 2 发布,2021 年获得美国陆军一份高达 219 亿美元的合同,公司 将在未来十年为军方提供至少 12 万套 AR 设备。苹果方面,前期已布局多项相关专利,相关 产品有望发布。谷歌方面,其母公司 Alphabet 在 2020 年用 1.8 亿美元收购了加拿大智能眼镜 制造商 North,加码布局 AR。小米方面,2021 年 9 月推出了其 AR 眼镜的概念产品。

成本方面,光学环节占比较高。以微软的 AR 眼镜产品 Hololens 为例,其基本构成部分包 括了处理器、光学透镜、光引擎、摄像头、传感器、存储和电池。其中,和光学直接相关的(光学透镜和光引擎)成本占比近半,因而相关厂商有望充分受益于相关硬件产品的需求放量。


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上游光器件厂商方面,腾景科技在 AR 领域已有先发布局。AR 领域目前比较看好的光波 导技术方案,公司具备一定的技术储备,根据公司公告,目前主要从事光波导技术的镜片制作 及光机部分与客户的合作开发等,以上两类产品大多在送样或小批量阶段。未来随着 AR 硬件 需求的加速放量,成长空间广阔。

3 光器件行业竞争格局良好,国产化替代提供发展机遇

3.1 光器件细分领域众多竞争格局良好,头部厂商竞争优势明显

产业链上游光器件行业的整体竞争格局良好。虽然光器件产品品类繁多,部分低端产品的 入门门槛不高,但是头部厂商往往基于自身优势聚焦于不同的高端细分领域,这些领域的市场 规模不大、竞争对手不多、竞争并不激烈,因而整体格局良好,毛利率水平通常能够维持在高 位。以光库科技为例,公司在光纤激光器件领域重点聚焦高功率、高壁垒赛道,高功率隔离器 及高功率光纤光栅的全球市占率均超 50%,光纤激光器件业务的毛利率维持在 40%~50%的范围 内。(报告来源:未来智库)

天孚通信方面,该公司是业界领先的光器件一站式解决方案提供商,光无源器件产品从基 础的三大件起家(陶瓷套筒、光纤适配器和光收发组件),上市后通过内生和外延并购的方式 不断拓展高端产品品类,其光无源器件业务的毛利率水平能够持续维持在 50%以上。相对于下游的光模块厂商,头部的光器件厂商具备相当的议价能力。下游光模块领域参与 者众多,行业处于充分竞争的状态,从毛利率水平来看,下游以封装为主的光模块厂商整体毛 利率水平不高。与竞争激烈的下游相比,上游光器件厂商聚焦各自的细分领域,参与者较小, 同时技术更迭的速度没有光模块行业快,因而整体来说竞争格局稳定良好,对下游具有相当的 议价能力。


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3.2 并购加速行业整合强化头部厂商实力,但光器件行业整体集 中度仍不高

行业内的并购整合加速推进。光器件厂商发展到一定阶段,受限于市场规模,通常会通过 内生或外延并购方式在横向和纵向拓展业务布局以此构筑未来的成长空间。近年来,行业内并 购层出不穷,海外巨头方面,2018 年底,无源器件市场和有源器件市场的头部企业 II-VI 和 Finisar 达成收购协议,通过合并实现强强联合,交易金额达 32 亿美元。另一大巨头 Lumentum 则是在 2018 和 2021 年分别收购了 Oclaro 和 NeoPhotonics,交易金额分别为 18 亿美元和 9.18 亿美元。国内方面,以光库科技、天孚通信、博创科技等为代表的国内厂商在收购领域同样动 作颇多,持续加速自身业务拓展。

虽然并购加速行业整合助推行业集中度提升,但当前行业集中度仍不高。根据和弦产业研 究中心的统计,2020H1 市场份额排名前三的分别为 II-VI、Lumemtum、Sumitomo,占比分别 为 23%,13%和 8%。虽然行业内的并购整合给行业集中度带来了边际改善,但集中度仍不高。


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3.3 产业链向国内转移、国内厂商实力提升,光器件行业将受益于国产化替代机遇

从光器件下游的光模块领域来看,国内光模块厂市场份额提升显著,光通信产业链整体 向中国转移的大趋势日趋明显。我们国内光通信行业发展迅猛,根据 LightCounting 统计的过 去十年前十大光模块厂商排名,2010 年未有国内企业进入前十,而经过 10 年发展到了 2020年,以中际旭创、华为、海信为代表的国内企业已经跻身全球光模块前三甲,光迅科技、新易 盛、华工正源也占据前十行列,光通信产业链向国内转移的大趋势日益显著,对整个产业链上 下游有积极影响。

从光器件行业本身来看,国内企业正加速崛起。近年来,国内光器件企业的光通信业务的 同比增速整体高于海外头部企业,作为劳动密集型行业,国内企业在成本端的优势日益显著, 海外头部厂商更多聚焦高端品类。


光器件行业深度研究:国产替代提供发展机遇,有望迎全面爆发

从技术角度,国内厂商实力同样提升显著,在部分高端领域有明显突破。以产业链上游的 芯片为例,芯片是部分光器件的重要组成部分,在成本中占比大头。国内光器件厂商近年来加 速向产业链上游布局,在光芯片领域的实力持续提升。光无源芯片方面,以博创科技、光迅科 技为代表的国内厂商能够实现 PLC 芯片的国产化。光电调制芯片方面,光库科技通过收购 Lumentum 的铌酸锂产线相关资产获得铌酸锂芯片的制备能力,当前行业内主要竞争对手仅有 日本的住友和富士通两家,同时在传统铌酸锂芯片的基础上,公司积极布局前沿的薄膜铌酸锂芯片领域,产业化推进进度靠前。光有源芯片方面,虽然高端芯片能力仍不足,但低端产品的 国产化程度可观,以光迅科技为例,其已实现 10G VCSEL/DFB/EML/AP/Pin 全系列芯片商用, 25G Vcsel/DFB/EML 芯片也能实现部分自给。


光器件行业深度研究:国产替代提供发展机遇,有望迎全面爆发

整体而言,在光通信产业链持续向国内转移的大背景下,国内光通信企业发展势头迅猛, 技术角度在部分高端领域持续取得突破,未来有望进一步替代国外厂商的份额,享受光通信 领域的国产化替代机遇。

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